阅读说明：本技术 一种用于飞机数字化对接的部件锁紧视觉定位方法 (Part locking visual positioning method for airplane digital butt joint ) 是由 郭洪杰 崔伟 秦立 赵林 邵云丽 于 2020-07-21 设计创作，主要内容包括：本发明涉及飞机装配技术领域,特别涉及一种用于飞机数字化对接的部件锁紧视觉定位方法。首先将锁球装置安装在数控定位器上,其次将定位球安装在飞机部件上,接着使用锁球装置底部的工业相机拍摄定位球,然后通过视觉算法,计算出定位球相对于锁球装置球窝的偏差Δx,Δy,Δz,驱动锁球装置在x轴与y轴方向分别移动Δx与Δy的长度,在垂直z方向对准定位球,再在z轴方向运行Δz的长度,使锁球装置接住定位球并进行锁定,完成飞机部件与数控定位器的连接。本发明取代了定位器抱球是靠人的视觉判断,减少了部件锁紧后的内应力,防止飞机部件的损坏,节省了人力资源,方便操作与使用。(The invention relates to the technical field of airplane assembly, in particular to a part locking visual positioning method for airplane digital docking. Firstly, a ball locking device is installed on a numerical control positioner, secondly, a positioning ball is installed on an airplane component, secondly, an industrial camera at the bottom of the ball locking device is used for shooting the positioning ball, secondly, the deviation delta x, delta y and delta z of the positioning ball relative to a ball socket of the ball locking device are calculated through a visual algorithm, the ball locking device is driven to move the length delta x and the length delta y in the directions of an x axis and a y axis respectively, the positioning ball is aligned in the direction vertical to the z axis, and then the length delta z is operated in the direction of the z axis, so that the ball locking device receives and locks the positioning ball, and the connection of the airplane component and the numerical control positioner is completed. The invention replaces the visual judgment of a locator for holding the ball, reduces the internal stress of the locked part, prevents the damage of the airplane part, saves the human resource and is convenient to operate and use.)

一种用于飞机数字化对接的部件锁紧视觉定位方法

技术领域

本发明涉及飞机装配技术领域，特别涉及一种用于飞机数字化对接的部件锁紧视觉定位方法。

背景技术

飞机数字化对接中每一个大部件一般采用3个以上***支撑，支撑方式采用定位球和锁球装置球窝的关节连接。每个数控***具有互相垂直的x，y，z三轴移动功能，每个数控***的有序运动，可以使大部件在空间完成六自由度的姿态调整，两个大部件的调姿和靠近运动，就实现了飞机大部件的数字化对接。以往的***抱球是靠人的视觉判断，抱紧后再进行内应力的释放，即用时很长，又容易拉坏飞机大部件。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术存在的缺陷，提供一种在数控***锁球装置球窝的底部安装了一个工业相机，对相机进行标定后向上对定位球进行拍照，通过计算机中的视觉算法，可以直接计算出定位球在x，y，z方向上的偏移量Δx，Δy，Δz，数控***内的控制系统将偏差Δx，Δy，Δz转化为x、y、z三个方向的运动长度，驱动所述控制数控***在x轴与y轴方向，分别行进Δx与Δy的长度，使得锁球装置球窝在垂直z方向对准定位球，再控制锁球装置在z轴方向行进Δz的长度，使数控***锁球装置接住定位球并进行锁定，约束了三个平移自由度，释放了三个旋转自由度的用于飞机数字化对接的部件锁紧视觉定位方法。锁球装置安装在数控***的上方，球窝运行Δx，Δy，Δz的长度由数控***内的运动控制系统驱动数控***完成。

实现本发明目的的技术方案是：

一种用于飞机数字化对接的部件锁紧视觉定位方法，首先将锁球装置安装在数控***上，其次将定位球安装在飞机部件上，接着使用锁球装置底部的工业相机拍摄定位球，然后通过计算机中的视觉算法，计算出定位球相对于锁球装置球窝的偏差Δx，Δy，Δz，数控***内的控制系统将偏差Δx，Δy，Δz转化为x、y、z三个方向的运动长度，驱动控制数控***在x轴与y轴方向，分别行进Δx与Δy的长度，使得锁球装置在垂直z方向对准定位球，再在z轴方向运行Δz的长度，使锁球装置接住定位球并进行锁定，完成飞机部件与数控***的连接。

所述视觉算法具体如下：

S1.工业相机拍摄定位球形成的图像为一个椭圆，根据小孔成像原理，

（1）

其中X、Y、Z是定位球以工业相机光心为原点的坐标系下定位球球心的坐标，f为工业相机焦距，b_x，b_y为成像平面中投影椭圆中心的坐标，a为照片中椭圆的长轴，D为定位球的直径，f 是工业相机的固有参数可以通过标准标定方法求得。

S2.计算定位球球心坐标为：

（2）

S3.对图像进行处理，获得a和b_x，b_y。

S4.实际上工业相机拍摄的照片会有变形，并不完全符合小孔成像原理，考虑到变形影响可得到如下方程：

（3）

式中A_x，B_x，C_x，A_y，B_y，C_y，A_z，B_z，C_z，是未知数，需要经过标定求得，标定过程为：使定位球在工业相机坐标系中的坐标分别取（X₁，0，0），（X₂，0，0），（X₃，0，0），（0，Y₁，0），（0，Y₂，0），（0，Y₃，0），（0，0，Z₁），（0，0，Z₂），（0，0，Z₃），并使用S3的方法求得每个坐标下拍摄的照片的bx，by和a的值，代入方程（3）得到

（4）

对方程（4）求解便可得到A_x，B_x，C_x，A_y，B_y，C_y，A_z，B_z，C_z的值。

S5.将S4中求得的A_x，B_x，C_x，A_y，B_y，C_y，A_z，B_z，C_z的值代入方程（3），便可求得定位球（2）球心相对于工业相机（5）的实际坐标（x，y，z）。

S6.锁球装置（3）球窝的球心相对于工业相机（5）的坐标为（x₀，y₀，z₀），该坐标为锁球装置（3）设计制造时确定的已知量，则Δx=x-x₀，Δy=y-y₀，Δz=z-z₀。

进一步的，所述S3中图像处理过程如下：

1）拍摄定位球球的照片；

2）对图像进行二值化，使用Canny算法对图片边缘进行提取；

3）求提取的椭圆形边缘的长轴a和中心点坐标（bx，by）。

将所述视觉算法编程至图像处理与定位控制软件后自动计算运动量，并驱动所述数控***完成调姿对准，上升锁定所述定位球。

采用上述技术方案后，本发明具有以下积极的效果：

本发明取代了***抱球是靠人的视觉判断，减少了部件锁紧后的内应力，防止飞机部件的损坏，节省了人力资源，方便操作与使用。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1为本发明总体示意图；

图2为本发明锁球装置局部剖视图；

图3为本发明小孔成像原理示意图。

具体实施方式

见图1与图2，本发明涉及飞机部件1、定位球2、锁球装置3、数控***4、工业相机5及计算机6；首先将锁球装置3安装在数控***4上，其次将定位球2安装在飞机部件1上，接着使用锁球装置3底部的工业相机5拍摄定位球2，然后无线传输至计算机6，通过计算机6中的视觉算法，计算出定位球2相对于锁球装置3球窝的偏差Δx，Δy，Δz，数控***4内的控制系统将偏差Δx，Δy，Δz转化为x、y、z三个方向的运动长度，驱动控制数控***4在x轴与y轴方向，分别行进Δx与Δy的长度，使得锁球装置3在垂直z方向对准定位球2，再在z轴方向运行Δz的长度，使锁球装置3接住定位球2并进行锁定，完成飞机部件1与数控***4的连接。

参考图3，视觉算法具体如下：

S1.工业相机5拍摄定位球2形成的图像为一个椭圆，根据小孔成像原理，

（1）

其中X、Y、Z是定位球2以工业相机5光心为原点的坐标系下定位球2球心的坐标，f为工业相机5焦距，b_x，b_y为成像平面中投影椭圆中心的坐标，a为照片中椭圆的长轴，D为定位球2的直径，f 是工业相机5的固有参数可以通过标准标定方法求得。

S2.计算定位球2球心坐标为：

（2）

S3.对图像进行处理，获得a和b_x，b_y；

1）拍摄定位球的照片；

2）对图像进行二值化，使用Canny算法对图片边缘进行提取；

3）求提取的椭圆形边缘的长轴a和中心点坐标（bx，by）。

S4.实际上工业相机5拍摄的照片会有变形，并不完全符合小孔成像原理，考虑到变形影响可得到如下方程：

（3）

式中A_x，B_x，C_x，A_y，B_y，C_y，A_z，B_z，C_z，是未知数，需要经过标定求得，标定过程为：使定位球2在工业相机5坐标系中的坐标分别取（X₁，0，0），（X₂，0，0），（X₃，0，0），（0，Y₁，0），（0，Y₂，0），（0，Y₃，0），（0，0，Z₁），（0，0，Z₂），（0，0，Z₃），并使用S3的方法求得每个坐标下拍摄的照片的bx，by和a的值，代入方程（3）得到

（4）

对方程（4）求解便可得到A_x，B_x，C_x，A_y，B_y，C_y，A_z，B_z，C_z的值。

S5.将S4中求得的A_x，B_x，C_x，A_y，B_y，C_y，A_z，B_z，C_z的值代入方程（3），便可求得定位球2球心的实际坐标。

S6.锁球装置3球窝的球心相对于工业相机5的坐标为（x₀，y₀，z₀），该坐标为锁球装置3设计制造时确定的已知量，则Δx=x-x₀，Δy=y-y₀，Δz=z-z₀。

将视觉算法通过计算机编程至图像处理与定位控制软件后自动计算运动量，并驱动所述数控***4完成调姿对准，上升锁定所述定位球2。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。